文 | 昆仲資本
2012年5月，國際空間站兩名宇航員操縱空間站外18米長大型機(jī)械臂抓住美國SpaceX公司研發(fā)的無人駕駛飛船—“Dragon”，實(shí)現(xiàn)了二者對接。在此機(jī)械臂的末端安裝的便是美國航空航天局NASA投入巨資研制的六維力傳感器。
彼時(shí)，六維力傳感器還是一種體積龐大、造價(jià)昂貴、僅限于尖端軍工和航天領(lǐng)域的專業(yè)設(shè)備。隨著制造工藝的精進(jìn)和微電子技術(shù)的飛躍，這種曾經(jīng)“高不可攀”的技術(shù)正迅速小型化、低成本化，從航天領(lǐng)域走向工業(yè)自動(dòng)化，并在最近幾年，悄然進(jìn)入了人形機(jī)器人的核心感知系統(tǒng)。
為什么一種源自航天領(lǐng)域的高精度傳感器會成為人形機(jī)器人的關(guān)鍵組件？答案在于人機(jī)交互的本質(zhì)。
人類在與物理世界互動(dòng)時(shí)，依靠的不僅是視覺和聽覺，更關(guān)鍵的是觸覺反饋。當(dāng)我們拿起一個(gè)雞蛋，既不會捏碎它，也不會讓它滑落，這種精細(xì)的力控能力源于我們手指末端無數(shù)的觸覺感受器。
人形機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)類似人類的靈巧操作，就必須具備同樣精確的力覺感知能力。六維力傳感器恰恰能夠提供這種全方位的力和力矩信息，讓機(jī)器人“知道”它對物體施加了多大的力，以及這些力在空間中的分布狀態(tài)。這種能力對于機(jī)器人執(zhí)行精細(xì)操作、維持平衡行走、以及安全地與人類互動(dòng)至關(guān)重要。
近兩年來，隨著眾多人形機(jī)器人項(xiàng)目相繼亮相，這個(gè)原本小眾的傳感器品類突然成為投資界的關(guān)注焦點(diǎn)。一方面是因?yàn)榱S力傳感器在人形機(jī)器人成本結(jié)構(gòu)中占比高達(dá)19%（根據(jù)特斯拉機(jī)器人預(yù)估），是單一價(jià)值最高的核心零部件之一；另一方面，這一領(lǐng)域尚未形成絕對壟斷格局，國產(chǎn)化替代空間巨大，市場預(yù)期也從當(dāng)前的幾億元規(guī)模迅速擴(kuò)展至未來可能的百億量級。
這種從航天科技到工業(yè)應(yīng)用，再到人形機(jī)器人關(guān)鍵組件的技術(shù)演變，正代表著一類高精尖傳感技術(shù)的典型發(fā)展路徑。在這個(gè)“小而美”的細(xì)分賽道背后，或許蘊(yùn)藏著下一個(gè)傳感器行業(yè)的巨大機(jī)遇。
牛頓力學(xué)的現(xiàn)代“測量者”
六維力傳感器，顧名思義，是一種能夠測量六個(gè)維度力學(xué)量的高精度傳感器。從物理學(xué)角度看，任何作用于物體的力都可以分解為三個(gè)正交方向的力分量（Fx、Fy、Fz）和圍繞這三個(gè)軸的扭矩分量（Mx、My、Mz）。普通力傳感器通常只能測量單一方向的力，而六維力傳感器則能同時(shí)監(jiān)測這六個(gè)維度的物理量，無論力的方向如何變化或施力點(diǎn)在何處，都能精確捕捉。
這種全維度測量能力，使六維力傳感器成為機(jī)器人與物理世界交互的“神經(jīng)末梢”。當(dāng)機(jī)器人抓取物體時(shí)，它需要知道手指施加了多大的力，以及這個(gè)力在各個(gè)方向的分布，六維力傳感器正是提供這種精細(xì)感知的關(guān)鍵設(shè)備。
在評估六維力傳感器的性能時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)需要特別關(guān)注。首先是串?dāng)_，這一指標(biāo)用來衡量多維力傳感器各測量方向間的耦合影響，可以直接反映測量誤差水平。理想情況下，一個(gè)方向的力不應(yīng)該影響其他方向的測量結(jié)果，但實(shí)際工程中總會存在一定程度的串?dāng)_。
精度是另一個(gè)核心指標(biāo)，它衡量測量結(jié)果之間的重復(fù)性。精度標(biāo)定方法通常是在相同環(huán)境條件下，在額定載荷范圍內(nèi)，多次多方向聯(lián)合加載相同一組載荷，計(jì)算得到的傳感器測量值的標(biāo)準(zhǔn)差，并除以量程。精度越高，意味著傳感器在相同條件下多次測量的結(jié)果越接近。
準(zhǔn)度則衡量測量結(jié)果與理論真值的偏離程度。準(zhǔn)度標(biāo)定方法是對傳感器進(jìn)行多次多方向聯(lián)合加載，計(jì)算得到的傳感器測量值與所加載荷理論真值之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差，并除以量程。準(zhǔn)度反映了傳感器測量值的絕對準(zhǔn)確性，是評價(jià)六維力傳感器整體性能的重要指標(biāo)。
隨著應(yīng)用需求的多元化，六維力傳感器的技術(shù)路線也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。目前，市場上主要有三種技術(shù)路線：應(yīng)變片式傳感器、光學(xué)式傳感器以及壓電/電容式傳感器。
應(yīng)變片式傳感器是當(dāng)前最主流的技術(shù)路線，又可細(xì)分為硅應(yīng)變和金屬箔兩種類型。其工作原理是當(dāng)彈性體受力變形時(shí)，粘貼在其表面的應(yīng)變片電阻值會發(fā)生變化，通過精心設(shè)計(jì)的電路，可將這種微小的電阻變化轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。這種傳感器的優(yōu)勢在于精度高（精度可達(dá)0.01N），技術(shù)成熟，頻響特性好，測量范圍廣。目前市場上的主要代表企業(yè)包括ATI、宇立儀器、坤維科技、藍(lán)點(diǎn)觸控等。
光學(xué)式傳感器則利用光柵或光纖在受力時(shí)發(fā)生的微小形變，引起光信號的變化，再轉(zhuǎn)換為電信號輸出。這類傳感器的最大優(yōu)勢是可靠性高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，可在特殊環(huán)境（如強(qiáng)電磁場）中工作。在這一領(lǐng)域，OnRobot、華力創(chuàng)科學(xué)等公司有較深的技術(shù)積累。
壓電/電容式傳感器中，壓電式利用材料在受力時(shí)產(chǎn)生電荷的特性進(jìn)行測量；電容式則是通過極板距離變化導(dǎo)致電容變化來測量力。這類傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高，分辨率高，結(jié)構(gòu)相對簡單，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。Robotiq、Kistler等公司在這一領(lǐng)域有所建樹。
每種技術(shù)路線各有其優(yōu)劣，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，選擇也有所差異。在人形機(jī)器人領(lǐng)域，應(yīng)變片式（特別是硅應(yīng)變片）傳感器因其綜合性能表現(xiàn)突出，成為當(dāng)前主流選擇。
但六維力傳感器的制造工藝遠(yuǎn)比人們想象的復(fù)雜，特別是高精度的應(yīng)變片式傳感器，其制造過程堪稱精密儀器領(lǐng)域的“匠心工藝”。
以當(dāng)前主流的應(yīng)變片式傳感器為例，其材料組件包括彈性體、應(yīng)變片、電路板、粘接劑和外殼等，通過幾十道工序（分為選料、貼片、溫漂和零漂的控制、標(biāo)定等四大環(huán)節(jié)）制作而成合格產(chǎn)品。中游生產(chǎn)制造中主要環(huán)節(jié)包括彈性體加工，打磨、劃線，貼片，固化、老化，組橋走線，零點(diǎn)補(bǔ)償、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償，焊線，初測，封膠、焊封，重測等多個(gè)流程。其中對最終產(chǎn)品性能影響較大的工藝流程包括彈性體的制造與加工、應(yīng)變片的貼片、檢測等環(huán)節(jié)。
這種復(fù)雜的工藝流程，導(dǎo)致高精度六維力傳感器的制造周期長、成本高、良品率低，也是該行業(yè)長期以來保持高門檻的重要原因。一個(gè)高精度六維力傳感器的價(jià)格可從數(shù)千元到數(shù)萬元不等，遠(yuǎn)高于普通傳感器。
如今，六維力傳感器的應(yīng)用場景正經(jīng)歷著從專業(yè)測試到廣泛工業(yè)應(yīng)用的擴(kuò)展。目前，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，約77.1%的市場份額。在這一領(lǐng)域，六維力傳感器主要用于精密裝配（如發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、電子產(chǎn)品組裝等需要精確控制力的場景）、精密加工（如拋光、打磨等對力的控制要求高的工藝過程）以及質(zhì)量控制（測試產(chǎn)品的機(jī)械性能、力學(xué)特性等）。
汽車測試領(lǐng)域約占7.6%的市場份額，應(yīng)用包括安全設(shè)備測試（如碰撞測試、安全帶測試等）、車身剛度測試（評估車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）以及駕駛動(dòng)態(tài)測試（如方向盤力反饋等測試）。
人形機(jī)器人領(lǐng)域雖然目前僅占約1.6%的市場份額，但增長最為迅猛。在這一領(lǐng)域，六維力傳感器主要用于手部操作（提升抓取、裝配等精細(xì)操作的能力）、行走平衡（監(jiān)測足部接觸力，維持穩(wěn)定行走）以及人機(jī)交互（確保與人交互過程中的安全性）（后文還會具體分析）。
隨著人形機(jī)器人對成本控制的要求提高，如何在保持性能的同時(shí)降低制造成本，成為行業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)一些企業(yè)已開始探索自動(dòng)化貼片、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等方向，以期實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和成本下降。因此，作為實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作和精細(xì)操作的關(guān)鍵組件，六維力傳感器的重要性日益凸顯，未來有望成為該行業(yè)增長最快的應(yīng)用方向。
技術(shù)路線之爭：應(yīng)用場景決定最終勝者
在六維力傳感器領(lǐng)域，不同的應(yīng)用場景也催生了多種技術(shù)路線并行發(fā)展的局面。目前，力覺感知技術(shù)主要存在三條競爭路線，各有優(yōu)勢，也各有局限，其適用性很大程度上取決于應(yīng)用需求的具體特點(diǎn)。
- 硬件傳感直接測量：精度至上的傳統(tǒng)選擇
以六維力傳感器為核心的直接測量方案，是目前最傳統(tǒng)也是最精確的技術(shù)路線。這種方案的核心是在機(jī)器人的關(guān)鍵接觸點(diǎn)(如手腕、足踝)安裝專用的六維力傳感器硬件，直接測量力和力矩?cái)?shù)據(jù)。以特斯拉機(jī)器人為例，其手腕和腳踝部位都安裝了高精度六維力傳感器，在成本結(jié)構(gòu)中占據(jù)相當(dāng)高的比例。
這種方案的優(yōu)勢在于測量精度高(可達(dá)0.01N)、反應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)，能夠捕捉微小的力變化，適合需要精細(xì)力控制的場景。然而，其劣勢也明顯：硬件成本高、安裝復(fù)雜、對環(huán)境敏感，且增加了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和重量。
國際領(lǐng)先企業(yè)ATI的高端六維力傳感器，單價(jià)可高達(dá)數(shù)萬美元，盡管如此，在對精度要求極高的高端應(yīng)用中，這種方案仍是首選。我國的坤維科技、宇立儀器等企業(yè)，也在這一路線上取得了長足進(jìn)步，產(chǎn)品精度已接近國際水平，且價(jià)格優(yōu)勢明顯。
- 電流環(huán)力控：簡約而不簡單的折中方案
電流環(huán)力控是一種不依賴專門力傳感器的間接測量方案。這種技術(shù)利用電機(jī)控制系統(tǒng)中的電流變化來估算外部施加的力和力矩，通過建立電機(jī)電流與輸出力矩之間的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)力的間接測量和控制。
電流環(huán)力控最大的優(yōu)勢是簡化了硬件結(jié)構(gòu)、降低了成本，同時(shí)避免了傳感器可能帶來的故障點(diǎn)。然而，其精度通常低于直接測量方案，對模型精確性和環(huán)境條件的依賴也較高。在小型機(jī)器人和消費(fèi)級產(chǎn)品中，這種方案因其成本效益而受到青睞。波士頓動(dòng)力的早期四足機(jī)器人Spot就采用了這種技術(shù)路線。
隨著算法的進(jìn)步，電流環(huán)力控的精度正在不斷提高。一些創(chuàng)新型企業(yè)開始將基礎(chǔ)的電流環(huán)力控與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，通過大量運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，顯著提升了力估算的準(zhǔn)確性，使這一技術(shù)路線在某些應(yīng)用場景中的性能接近專用傳感器方案。
- 純視覺+算法：未來可期的顛覆性方向
最具顛覆性的技術(shù)路線是完全依靠視覺傳感和先進(jìn)算法的力覺推斷方案。這種方案不使用任何專門的力傳感器，而是通過高速相機(jī)捕捉物體變形、位移等視覺信息，再結(jié)合物理模型和深度學(xué)習(xí)算法，推斷出作用力的大小和方向。
這種方案的最大優(yōu)勢是硬件成本極低，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。然而，目前的技術(shù)挑戰(zhàn)也非常明顯：算法復(fù)雜度高、計(jì)算資源需求大、精度和實(shí)時(shí)性與專用傳感器相比仍有差距。特別是在復(fù)雜環(huán)境和高精度需求場景下，純視覺方案的實(shí)用性受到限制。
盡管如此，隨著計(jì)算機(jī)視覺和AI技術(shù)的飛速發(fā)展，這一路線正在吸引越來越多的關(guān)注和投入。谷歌、Meta等科技巨頭已在這一方向上進(jìn)行了大量研究，其發(fā)展速度之快可能會超出傳統(tǒng)行業(yè)的預(yù)期。多模態(tài)感知的趨勢下，這種方案也被視為最具未來感的技術(shù)方向。
在可預(yù)見的未來，這三種技術(shù)路線將繼續(xù)并行發(fā)展，不會有單一方案完全取代其他。決定它們各自市場地位的關(guān)鍵因素包括：
1. 應(yīng)用場景的精度需求：在航空航天、高端工業(yè)機(jī)器人等對精度要求極高的場景，直接測量方案依然是不二之選；而在消費(fèi)級機(jī)器人、普通工業(yè)應(yīng)用中，電流環(huán)力控和視覺方案可能因成本優(yōu)勢獲得更大市場。
2. 成本壓力：隨著人形機(jī)器人向消費(fèi)級市場推進(jìn)，成本壓力將越來越大。如果直接測量方案的六維力傳感器成本不能快速下降，可能會在某些應(yīng)用中被替代方案擠壓。
3. 算法進(jìn)步速度：AI算法的進(jìn)步速度將直接影響視覺+算法方案的競爭力。如果在未來2-3年內(nèi)，純算法方案能在精度上接近傳統(tǒng)傳感器，市場格局可能發(fā)生根本性變化。
4. 集成化趨勢：更可能的發(fā)展方向是多種技術(shù)的融合和集成，例如將簡化版的力傳感器與先進(jìn)算法結(jié)合，在保持一定精度的同時(shí)顯著降低成本。
人形機(jī)器人：爆發(fā)在即的“賣鏟”市場
前文提及，人形機(jī)器人領(lǐng)域目前占比雖然僅為1.6%，但增長勢頭最為迅猛，被普遍視為未來市場增量的主要來源。
具體而言，在手部操作應(yīng)用中，六維力傳感器安裝在機(jī)器人手腕或手指關(guān)節(jié)處，提供精確的力和力矩反饋。這使得機(jī)器人能夠執(zhí)行精細(xì)的抓取、裝配等操作，處理易碎物品而不損壞，實(shí)現(xiàn)類似人手的靈巧性。最新一代的人形機(jī)器人如特斯拉Optimus，每個(gè)手腕都配備了高精度六維力傳感器。
行走平衡是另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用。六維力傳感器安裝在機(jī)器人足部，測量地面反作用力的大小和分布，為平衡控制算法提供輸入。這對于人形機(jī)器人在不平整地面行走、爬樓梯等復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定至關(guān)重要。
人機(jī)安全交互也是六維力傳感器的重要用途。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測接觸力的大小和方向，機(jī)器人可以在與人互動(dòng)過程中保持安全，避免意外傷害。這一功能對于服務(wù)型人形機(jī)器人尤為重要。
據(jù)特斯拉機(jī)器人成本結(jié)構(gòu)分析，六維力傳感器占機(jī)器人總成本的19%左右，是單一價(jià)值最高的核心零部件之一。隨著人形機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化，預(yù)計(jì)這一領(lǐng)域的六維力傳感器需求將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。
根據(jù)睿工業(yè)發(fā)布的數(shù)據(jù)，2023年中國市場六維力傳感器出貨量為9,450套，市場規(guī)模約2.35億元，同比增長分別為17.4%和14.6%。雖然當(dāng)前規(guī)模不大，但增長趨勢明顯加速。
行業(yè)預(yù)測指出，2027年將成為市場增速的關(guān)鍵拐點(diǎn)，隨后進(jìn)入高速增長期。到2030年，六維力傳感器的出貨量和市場規(guī)模有望分別增加到119.5萬臺和143.3億元，實(shí)現(xiàn)數(shù)十倍的增長。
這種增長預(yù)期主要基于兩個(gè)因素：一是人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化進(jìn)程將帶動(dòng)核心零部件需求；二是技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)將推動(dòng)六維力傳感器價(jià)格快速下降，進(jìn)一步擴(kuò)大市場。
在價(jià)格趨勢方面，六維力傳感器近年來也呈現(xiàn)明顯下降趨勢。以2020年為基準(zhǔn)，平均單價(jià)已從約2.63萬元/臺下降到2023年的約2.49萬元/臺。據(jù)行業(yè)訪談了解，部分用于人形機(jī)器人的六維力傳感器已降至千元級別，未來有望進(jìn)一步下探。這種價(jià)格下降趨勢，將極大釋放市場潛力，特別是在對成本敏感的消費(fèi)級應(yīng)用領(lǐng)域。
在昆仲資本看來，六維力傳感器行業(yè)呈現(xiàn)出明顯的技術(shù)壁壘和規(guī)模效應(yīng)特征，具備以下特點(diǎn)的企業(yè)可能具有更高的投資價(jià)值：
首先，具備長期力覺技術(shù)積累的企業(yè)值得重點(diǎn)關(guān)注。由于技術(shù)復(fù)雜性高，真正掌握核心技術(shù)的企業(yè)通常需要5-15年的持續(xù)研發(fā)積累，這類企業(yè)在產(chǎn)品性能、可靠性和創(chuàng)新能力上往往具有顯著優(yōu)勢。目前市場上的領(lǐng)先企業(yè)，如ATI、宇立儀器、坤維科技等，都有深厚的技術(shù)沉淀，能夠在性能和可靠性方面提供保障。
其次，已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)能力的廠商更具競爭力。六維力傳感器的生產(chǎn)涉及精密機(jī)械加工、微電子技術(shù)、高精度標(biāo)定等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，建立穩(wěn)定、高良品率的量產(chǎn)能力需要大量工藝積累和設(shè)備投入。在人形機(jī)器人等市場快速增長的背景下，具備批量生產(chǎn)能力的企業(yè)將更容易抓住市場機(jī)遇。
第三，在人形機(jī)器人供應(yīng)鏈中已取得先發(fā)優(yōu)勢的公司具有戰(zhàn)略價(jià)值。人形機(jī)器人領(lǐng)域可能成為六維力傳感器的最大增量市場，已經(jīng)成功進(jìn)入特斯拉、波士頓動(dòng)力等龍頭企業(yè)供應(yīng)鏈的傳感器廠商，有望借助客戶成長獲得持續(xù)發(fā)展空間。如近期獲得小米、舜宇等投資的坤維科技，已在多家人形機(jī)器人企業(yè)供應(yīng)鏈中占據(jù)重要位置。
六維力傳感器作為高端傳感設(shè)備，正處于從專業(yè)工業(yè)應(yīng)用向人形機(jī)器人等新興領(lǐng)域擴(kuò)張的關(guān)鍵階段。雖然當(dāng)前市場規(guī)模有限，但未來增長潛力巨大，預(yù)計(jì)2030年中國市場將突破百億元規(guī)模。國產(chǎn)廠商憑借性價(jià)比優(yōu)勢和服務(wù)響應(yīng)能力，正逐步蠶食外資品牌市場份額，但在核心技術(shù)指標(biāo)和品牌影響力方面仍需追趕。
作為早期投資人，昆仲資本重點(diǎn)關(guān)注具有真實(shí)量產(chǎn)能力和技術(shù)積淀的企業(yè)，同時(shí)密切關(guān)注人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)展和技術(shù)路線演變。隨著生產(chǎn)工藝改進(jìn)和規(guī)模效應(yīng)顯現(xiàn)，六維力傳感器價(jià)格有望持續(xù)下降，進(jìn)一步推動(dòng)行業(yè)進(jìn)入良性發(fā)展循環(huán)。長期來看，該領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)“應(yīng)用場景拓展”與“技術(shù)路線收斂”并行的雙重特征，為具備核心競爭力的企業(yè)創(chuàng)造戰(zhàn)略性機(jī)遇。
在這個(gè)從航天科技走向消費(fèi)級應(yīng)用的高精尖傳感器領(lǐng)域，中國企業(yè)已經(jīng)站在了與國際巨頭同臺競技的舞臺上。隨著人形機(jī)器人時(shí)代的到來，這個(gè)“小而美”的細(xì)分領(lǐng)域有望成為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈中價(jià)值增長最為顯著的環(huán)節(jié)之一，值得投資人持續(xù)關(guān)注。
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